淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


  查詢圖書館館藏目錄
系統識別號 U0002-2707200713423400
中文論文名稱 微衛星結構設計分析與應用
英文論文名稱 The Design, Analysis and Application of Micro-satellite Structure and Mechanical
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林建銘
研究生英文姓名 Chien-Ming Lin
學號 694340646
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-13
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-謝清志
委員-陳彥升
委員-翁瑞麟
中文關鍵字 微衛星  機構設計  TUUSAT-1A  重力梯度桿  有限元素法 
英文關鍵字 Structural design  TUUSAT-1A  Gravity-Gradient Boom  Natural frequency simulation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文將針對微衛星之結構與機械子系統做整體的考慮及設計分析。由微衛星的概念介紹、各子系統的定義與功能需求為前導,在了解微衛星的基本架構後,進而說明微衛星結構設計的流程,微衛星內部元件之配置、空間運用、固定方式、組裝方法及順序和火箭連接的LV介面等,再說明微衛星結構設計的基本觀念,必須能夠承受微衛星在發射過程中所經歷由加速度所產生的巨大負載,和火箭發射過程所產生的振動。最後再將結構設計的觀念應用到微衛星TUUSAT-1A的結構子系統和微衛星重力梯度桿上,進行完整的設計與分析。
本文將使用電腦軟體進行微衛星TUUSAT-1A結構主體和重力梯度桿之設計與分析,先使用CAD軟體將設計想法建立實體模型,進行各子系統的配置、組裝方式的模擬,再以有限元素分析軟體加以分析,在各種限制條件下,探討結構主體的應力分布、模態振型等,設計出能夠符合需求的結構主體。
英文摘要 This paper will aim at structure and the subsystem of the mechanic of the micro-satellite to make the whole consideration and the analysis in design。By the introduction and concept of the micro-satellite、and the definition and the demand of the function of each subsystem,after understanding the basic overhead construction of the micro-satellite,then explain the flow of the structure in designing,the disposition of the inner devices、the utilization of the space、the way of fixing、the method and order of assembling、and the LV interface of the connection with rocket,and then to explain the basic concept of the structure in designing,it must be able to withstand the huge load which produced by the acceleration when the satellite to shoot,and the vibration by the rocket to launch。Finally,we will apply the concept of the structure in designing to the subsystem of the structure and the gravity-gradient boom on the micro-satellite TUUSAT-1A, and then to carry on the design and the analysis completely。
This paper will carry on the design and the analysis of the main body of the structure and the gravity-gradient boom on the micro-satellite TUUSAT-1A by using software,first,we will design the concept to establish the model of the materiality by using CAD,it will carry on the disposition of each subsystem, the simulation of the assembling,then to discuss the distribution of stress of the main structure、the model of the vibration by using FEM,and then to design the main structure that conform the demand。

論文目次 目錄…………………………………………………………………I
圖目錄………………………………………………………………IV
表目錄………………………………………………………………IIIV
第一章 緒 論
1-1 前言 ……………………………………………………………1
1-2 文獻回顧
1-2-1 微衛星結構文獻………………………………………2
1-2-2 重力梯度桿文獻………………………………………11
1-3 研究動機與目的………………………………………………15
第二章 微衛星系統概論……………………………………………17
2-1 微衛星系統架構………………………………………………17
2-2 微衛星各子系統………………………………………………18
2-2-1 電腦子系統……………………………………………18
2-2-2 電源子系統……………………………………………18
2-2-3 姿態控制子系統………………………………………19
2-2-4 通訊子系統……………………………………………21
2-2-5 熱控子系統……………………………………………22
2-2-6 酬載子系統……………………………………………23
2-2-7 結構子系統……………………………………………24
第三章 結構設計相關理論概念……………………………………26
3-1 破壞理論………………………………………………………26
3-2 挫曲理論………………………………………………………29
3-3 自然振頻………………………………………………………30
3-4 有限元素法……………………………………………………32
第四章 微衛星TUUSAT-1A結構設計分析 …………………………34
4-1 微衛星TUUSAT-1A任務目的…………………………… ……34
4-2 設計流程………………………………………………………34
4-3 結構限制與設計項目…………………………………………35
4-3-1 TUUSAT-1A結構規格需求………………………………35
4-4 結構主體設計…………………………………………………36
4-4-1 材料選擇……………………………………………………36
4-4-2 TUUSAT-1A主體架構…………………………………………37
4-5 系統配置………………………………………………………38
4-5-1 第一層電腦層…………………………………………41
4-5-2 第二層電源層…………………………………………42
4-5-3 第三層通訊層…………………………………………44
4-5-4 第四層 BCR層…………………………………………46
4-5-5 太陽能板規格…………………………………………47
4-5-6 磁棒、磁滯棒、磁滯線圈配置………………………50
4-5-7 重心、慣性矩…………………………………………51
4-6 彈射介面………………………………………………………53
4-7 結構設計分析…………………………………………………55
4-7-1 有限元素分析時之假設………………………………57
4-7-2 應力分析………………………………………………57
4-7-3 模態分析………………………………………………61
4-8 分析結果探討…………………………………………………62
第五章 微衛星低成本重力梯度桿設計分析………………………63
5-1 設計方法與流程………………………………………………63
5-2 任務分析………………………………………………………64
5-2-1 衛星任務目標與需求…………………………………64
5-2-2 重力梯度穩定機構系統需求及限制…………………65
5-3 環境擾動因素概述……………………………………………66
5-3-1 太陽輻射壓力矩………………………………………66
5-3-2 磁場作用力矩…………………………………………66
5-3-3 空氣動力力矩…………………………………………67
5-3-4 重力梯度力矩…………………………………………67
5-4 重力梯度穩定系統……………………………………………70
5-5 重力梯度桿初步設計…………………………………………72
5-5-1 機構設計架構…………………………………………72
5-5-2 機構材料選用…………………………………………73
5-5-3 估算桿長………………………………………………73
5-5-4 機構配置………………………………………………77
5-6 振動模態分析…………………………………………………83
5-6-1 分析流程………………………………………………84
5-6-2 分析結果………………………………………………85
5-7 機構伸展功能測試……………………………………………87
5-7-1 測試目標……………………………………………………88
5-7-2 測試方法……………………………………………………88
5-7-3 測試結果……………………………………………………89
5-8 結論 ……………………………………………………………91
第六章 結論與未來展望……………………………………………93
參考文獻 ……………………………………………………………95
圖目錄
圖1-1太陽平均照射面積-邊數關係圖………………………………3
圖1-2利用多層鋁盒堆疊成的主體架構圖 …………………………4
圖1-3 AO-51電池模組 ………………………………………………5
圖1-4 AO-51 主體結構………………………………………………5
圖1-5 SUNSAT內部展示………………………………………………6
圖1-6 TiungSAT-1內部展示…………………………………………6
圖1-7鋁板和鋁桿構成的主體架構 …………………………………6
圖1-8 SAPPHIRE 內部結構 …………………………………………7
圖1-9 SAPPHIRE 外觀圖 ……………………………………………7
圖1-10 UNISAT 鋁板嵌入螺帽示意圖………………………………8
圖1-11 UNISAT 側板和主體固定方式………………………………8
圖1-12側面鋁板設計溝槽示意圖……………………………………9
圖1-13 SEDSAT內部展示 ……………………………………………9
圖1-14 SEDSAT 側板溝槽圖…………………………………………9
圖1-15 PANSAT外觀展示……………………………………………10
圖1-16 PANSAT 結構示意圖 ………………………………………10
圖1-17 FO-20(JAS-2)外觀展示…………………………………11
圖1-18 SSTL-Weitzmann Boom機構圖 ……………………………12
圖1-19 STR Boom桿件機構圖………………………………………13
圖1-20 SUNSAT重力梯度桿…………………………………………13
圖1-21 CESAT重力梯度穩定系統 …………………………………14
圖1-22 STEM方式……………………………………………………15
圖1-23 CTM方式 ……………………………………………………15
圖1-24 KNIGHTSAT Boom(收納)……………………………………15
圖1-25 KNIGHTSAT Boom (展開) …………………………………15
圖2-1衛星系統架構…………………………………………………18
圖2-2通訊系統基本架構圖…………………………………………23
圖3-1脆性材料、延性材料應力-應變圖 …………………………29
圖3-2不同固定方式的有效長度……………………………………31
圖4-1設計流程圖……………………………………………………36
圖4-2一體成型的鋁盒規格…………………………………………38
圖4-3 TUUSAT-1A主體結構…………………………………………39
圖4-4 TUUSAT-1A結構外型…………………………………………39
圖4-5 TUUSAT-1A座標定義…………………………………………40
圖4-6 TUUSAT-1A電機系統與酬載系統方塊圖……………………41
圖4-7 TUUSAT-1A各系統配置………………………………………41
圖4-8第一層-電源層 ………………………………………………43
圖4-9第二層-電源層 ………………………………………………45
圖4-10第三層-通訊層………………………………………………47
圖4-11第四層-BCR層 ………………………………………………48
圖4-12 Sun Sensor示意圖…………………………………………49
圖4-13 +X,-X Solar panel ………………………………………49
圖4-14 +Y,-Y Solar panel ………………………………………50
圖4-15 +Z Solar panel……………………………………………50
圖4-16 -Z Solar panel……………………………………………51
圖4-17姿態子系統硬體配置圖 ……………………………………52
圖4-18與衛星本體連接的彈射介面 ………………………………55
圖4-19彈射介面規格 ………………………………………………56
圖4-20衛星脫節前示意圖 …………………………………………56
圖4-21衛星脫節後示意圖 …………………………………………57
圖4-22衛星裝載於載具上示意圖 …………………………………57
圖4-23有限元素分析模型 …………………………………………59
圖4-24分析模型網格分割 …………………………………………60
圖4-25應力分布圖 …………………………………………………61
圖4-26結構變形圖 …………………………………………………61
圖4-27第一模態振型 ………………………………………………62
圖4-28第二模態振型 ………………………………………………62
圖4-29第三模態振型 ………………………………………………63
圖5-1重力梯度力矩示意……………………………………………63
圖5-2重力梯度穩定系統示意圖……………………………………69
圖5-3太陽輻射壓力矩………………………………………………75
圖5-4磁場擾動力矩…………………………………………………75
圖5-5空氣動力力矩…………………………………………………76
圖5-6環境力矩比較圖………………………………………………77
圖5-7桿件收納示意圖………………………………………………79
圖5-8桿件實體圖……………………………………………………79
圖5-9不袗帶捲繞收納示意圖……………………………………80
圖5-10展開機構實體圖 ……………………………………………80
圖5-11相鄰兩桿件卡榫示意圖 ……………………………………81
圖5-12機構安裝於衛星本體示意圖 ………………………………81
圖5-13重力梯度機構實體圖 ………………………………………82
圖5-14重力梯度桿展開示意圖 ……………………………………82
圖5-15機構模型有限元素分割 ……………………………………85
圖5-16機構變形圖 …………………………………………………86
圖5-17第一模態振型 ………………………………………………87
圖5-18第二模態振型 ………………………………………………87
圖5-19機構伸展測試平台 …………………………………………89
圖5-20機構伸展前 …………………………………………………90
圖5-21機構伸展後 …………………………………………………90

表目錄
表3-1選擇測試方案的安全係數對照表……………………………29
表4-1 Al 6061-T6材料參數表 ……………………………………37
表4-2 SpaceQuest GPS-12規格表…………………………………42
表4-3 SpaceQuest的BAT-4 NiCd 電池特性表……………………44
表4-4磁滯棒HYMU-82材料特性 ……………………………………45
表4-5 Cast ALNICO-5磁棒材料特性………………………………46
表4-6 Rimtai Camere-07規格 ……………………………………46
表4-7 TUUSAT-1A重心、形心位置與偏移量………………………53
表4-8 TUUSAT-1A慣性矩……………………………………………53
表4-9 TUUSAT-1A質量分佈…………………………………………53
表4-10變形及應力表 ………………………………………………60
表4-11 TUUSAT-1A前十個模態振動頻率 …………………………62
表5-1環境擾動力矩比較表…………………………………………76
表5-2 Tip-Mass與桿長 ……………………………………………78
表5-3機構主要元件規格表…………………………………………83
表5-4主要機構材質規格表…………………………………………84
表5-5模擬分析數據表………………………………………………86
表5-6平面伸展完畢所需時間………………………………………91
表5-7重力梯度穩定機構規格表……………………………………91
參考文獻 參考文獻
【1】 陳列民,“衛星工程概論”,宇航出版社
【2】Graziani F.;Palmerini G.B.; Santoni, F.; Tortora, P.; Marchiori, C“Mechanical Design and Manufacturing of the MicrosatelliteUNISAT”
【3】 Joe Kasser and Jan King , "OSCAR 7 and Its Capabilities," QST,Feb 1974, p. 56-60
【4】 T. Clark, "AMSAT's Microsat/Pacsat Program," Proceedings of the AMSAT-NA Sixth Space Symposium, Atlanta, GA, pp. 41-47, Nov1988, ARRL
【5】 “Development,Operation and Spaceifications of AO-51”, G.Gould Smith
【6】 Twiggs, Robert J. (Weber State Univ., Ogden, UT, USA); Reister,K.W. , “WEBERSAT: a low-cost imaging satellite”, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, v 1495,
1991, p 12-18
【7】 Fouquet, Marc, Sweeting, Martin ,“UoSAT minisatellite for high performance earth observation at low cost”
【8】Sun, W. (Univ of Surrey); Sweeting, M.N.; Hodgart, M.S. ,“In-orbit channel measurement and equalization for low earth orbit communications using digital signal processing techniques on the PoSAT-1 microsatellite”, Singapore ICCS - Conference Proceedings, v 2, 1994, p 415-419
【9】“Pre-Flight Performance of SUNSAT, South Africa’s First Remote Sensing and Packet Communications Microsatellite ” ,
A.Schoonwinkel,G.W.Milne ,S.Mostert , W.H.Stey
【10】“The SUNSAT Microsatellite Programme. Concepts, Progress, and 0pportunities.” , Garth W. Milne* Department of Electrical and Electronic Engineering Stellenbosch University, 7600, South Africa.4 August 1992
【11】 “Malaysian Tiungsat-1 Imagery for Water Quality Mapping”, M. Z. MatJafri, K. Abdullah, H. S. Lim School of Physics Universiti Sains Malaysia 11800, Pulau Pinang
【12】 The KITSAT-1 Mission Overview,Satellite Technology Research center, Korea Advanced Institute of Science and Technology,1992.
【13】 Kim, H. Chung, T.J.; Sung, N.H.; Lee, H.K. “Design concept for autonomous operation of KITSAT-3, an experimental LEO microsatellite”, IEEE Aerospace Conference Proceedings, v 2, 2000, p 459-466
【14】 R. Twiggs, M. Swartwout, "SAPPHIRE - Stanford's First Amateur Satellite," AMSAT-NA 16th Space Symposium, Vicksburg, MS, Oct. 16, 1998
【15】 Graziani F.;Palmerini G.B.; Santoni, F.; Tortora, P.; Marchiori, C“Mechanical Design and Manufacturing of the Microsatellite UNISAT”
【16】 “Dynamics and Control of SEDSAT”,Enrico C. Lorenzini,Gordon E.Gullahorn,Mario L.Cosmo.
【17】 “NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL PETITE AMATEUR
NAVY SATELLITE”, NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL
【18】 Vern Riportella, "Introducing Japanese Amateur Satellite Number One (JAS-1a)," QST, Jun 1986, p. 71
【19】Shozo Hara, "The Flight of JAS-1b," QEX, Aug 1986, p. 4.
【20】 Fujio Yamashita, JS1UKR and Hideo Ono, JA1BU, "JAS-2 Comes to Life asFO-29,"The AMSAT Journal, Vol. 19, No. 5, Sep/Aug 1996, p. 1
【21】 SURREY SATELLITE TECHNOLOGY”SSTL-Weitzmann 6m Deployable Boom”,2005
【22】 Michael Lou, Houfei Fang, Lih-Min Hsia, ”Development of Inflatable/Rigidizable STR Aluminum Booms,” AIAA, 2000.
【23】 Sias Mostert, Jan-Albert koekemoer ”The Science and Engineering Payload and Experiment on Sunsat, ” ACTC ASTRONAUTIC, vol. 41, pp 401-411, 1997
【24】 D. Zachary Allen, Catherine E. Dunn, “Citizn Explorer-Ⅰ:an Earth with new small satellite technology,” ACTC ASTRONAUTIC, pp 127-131, 2004.
【25】 Deployable structures laboratory, “Collapsible Tube Mast & STEM-type deployable booms analysis, ” June 2001
【26】 Benjamin Cartagena, Donna Polizzi, Young-Gon Kim,
“KnightSat Command and Data Handling Conceptual Design Report
【27】 SURREY SATELLITE TECHNOLOGY, “SSTL-Weitzmann 6m Deployable Boom”,2005
【28】Jack A. Collins, Failure of Materials in Mechanical Design, 2nd Ed.
【29】Hitchhiker' Customer Accommodations & Requirements Specifications, 1994, NASA Goddard Space Flight Center.
【30】Wiley J. Larson,James R. Wertz, “Space Mission Analysis and Design ,Second Edition”
【31】James M.Gere, “Mechanics of Materials”, Vol.II , 5E
【32】賴育良、林啟豪、謝忠祐,ANSYS電腦輔助工程分析,儒林圖書有限公司。
【33】F. P. J. (Friedrich Paul Johannes),”Introductory attitude dynamics”,1989
【34】C. D. Brown, ”Elements of Spacecraft Design” ,AIAA Education Series,2002
【35】National Space Organization,”蕃薯號衛星計畫介紹”, 2002
【36】http://www.cesat.br/cursos/
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2012-08-02公開。
  • 不同意授權瀏覽/列印電子全文服務。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信